利用弧聲信號的電弧預警保護系統設計

張亮,張認成,吳仕平,蔡潔

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州362021)

利用弧聲信號的電弧預警保護系統設計

張亮,張認成,吳仕平,蔡潔

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州362021)

基于開關柜電壓在電弧故障時電壓變化率在零區時最大的規律,研制一種弧聲信號的電弧預警保護系統.根據電弧發生燃弧現象之前會有比較明顯的弧聲信號的情況,用相應的聲音傳感器將電弧聲音從復雜的背景噪聲中提取出來,經過信號調理電路和計算機軟件系統的運算,設定合適的幅值閾值,實現對故障電弧的報警.實驗結果表明,設計的電弧預警保護系統效果良好.

故障電弧;開關柜;弧聲;預警;電壓

開關柜內部故障電弧是配電系統中一種非常嚴重的故障[1].故障電弧一旦產生,將會通過各種效應,釋放出巨大的聲、光、電、熱等能量,輕則使母線燒毀、開關設備報廢、變壓器損壞,重則引起燃燒爆炸,危及人身安全,造成重大的社會經濟問題[2].因此,研究故障電弧的早期探測方法,降低故障電弧產生的危害和幾率,具有深遠的現實意義.目前的很多種母線保護措施,其響應時間都超過ICE 298標準附錄中規定的中低壓開關柜內部耐受的最大燃弧時間100 m s,容易造成誤判和漏判,無法滿足快速性和可靠性.本文以燃弧伴生的弧聲信號為判據,建立了一種故障電弧預警保護系統.

圖1 系統原理圖Fig.1 Schematic of the system

1 系統原理

電弧預警保護系統是基于開關柜電壓在電弧故障時,其電壓變化率在零區時出現最大的規律,如圖1所示.

首先,將采集到的弧聲信號變換并放大、濾波.用濾波器對電壓信號的諧波進行處理后輸至脈沖成型器,將電壓的突降信息變成脈沖.該脈沖經單穩態觸發器后形成恒定幅值、寬度不變的脈沖,輸至積分器進行積分輸出值,然后至比較器.當積分器輸出幅值超過比較器的設定值時,啟動線路,經延時后發出脫扣信號,故障電弧的上游斷路器分閘,從而實現對故障電弧的預警保護.

2 實驗平臺的建立

為了研究在多種復雜因素下伴生弧聲信號的內在特征,建立一個適合多種類型放電的試驗系統.故障電弧探測實驗平臺,主要由電弧放電發生裝置和數據采集系統兩大部分構成.

數據采集是溝通實驗平臺和信號處理模塊之間的橋梁.它采用支持DMA方式和雙緩沖區模式的PCI-6024E數據采集卡(美國N I公司),保證了實時信號不間斷采集與存儲.該數據采集卡的主要參數: (1)16路單端/8路差分模擬輸入;(2)采樣速率為200 k Hz·s-1;(3)輸入精度為12 bits;(4)輸入范圍:-10～10 V,-5～5 V,-1～1 V,-0.05～0.05 V;(5)輸入增益為1,10,100;(6)8個數字I/O; (7)2個定時器/計數器;(8)采樣精度0.008 m V.

圖2 電弧放電實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup layout of arc discharge

電弧產生裝置由輕型高壓試驗變壓器、控制箱和放電裝置構成,如圖2所示.圖2中,控制箱可以調節電極間電壓,調節范圍為0～50 kV.在實驗過程中,當輕型高壓試驗變壓器兩級電壓均勻升高到一定程度時,在兩個放電電極間就會產生電弧放電現象.為了模擬實際放電情況,電極有棒形、錐形、球形3種形狀,可根據實際情況進行更換.

3 結果與分析

在實驗中可以發現,設置電極間距為90 mm,不斷增大電極間電壓,會有弧聲和燃弧現象的產生.這個弧聲是很有規律的,弧聲信號中心頻率不隨外界環境的改變而改變[3].通過對采樣弧聲信號的頻譜分析,可以知道弧聲頻率在5.2～9.8 k Hz之間,中心頻率在7.5 k Hz左右.

當放電電極選擇針型電極,極間間距為90 mm時,不斷增大電極電壓,其弧聲采樣頻率為60 k Hz的頻譜圖,如圖3所示.從圖3可知,當電極間電壓從0 kV逐漸增加到16 kV時,電極間的絕緣介質沒有被電壓擊穿,沒有產生弧聲信號;當電壓增量到30 kV,雖然無法觀測到弧光的產生,但形成弧光前的電弧聲音已經產生.隨著電壓的不斷增大,電弧聲音信號越來越明顯,最后,兩極間絕緣介質被徹底擊穿,故障電弧產生.此時,電弧聲仍然存在,并伴隨有強電流產生,兩極間發出白色眩目的拉弧現象.

從多種放電電極類型在不同電極間距、電極電壓等不同環境下的頻譜圖[3]可知,電弧聲音將會在發生故障電弧的早期產生,信號頻率帶寬為5～8 kHz.通過檢測這段頻率的聲音信號是否產生,可以預測和診斷故障電弧的發生.

圖3 錐形電極的能量頻譜密度圖Fig.3 Energy spectral density map of conical electrode

4 系統的模擬與開發

電弧預警報警系統結構框圖,如圖4所示.在模擬實驗中發現,當兩極間電壓達到30 kV左右時,開始產生電弧聲;當電極電壓達到45 kV左右時,電極間開始放電,產生燃弧現象[3].放電時刻產生短路電流,弧聲,弧光等伴生信號都有明顯的變化,如圖5所示.

圖5 伴生信號的波形 Fig.5 Waveform of associated signal

圖4 電弧預警和報警系統Fig.4 A rcing early warning and warning system

利用聲音傳感器把外界聲音信號采集進來,經過調理電路將被測信號調理成-5～+5 V輸入信號,送入數據采集卡,轉換成為相應的數字信號.然后,由計算機進行相關分析、計算、輸出處理、顯示圖形,從而實現預警功能.

由于實驗環境噪聲的影響很大,電弧弧聲常常淹沒在強背景噪聲中.實驗發現,電弧聲信號中心頻率不隨外界環境的改變而改變,通過對采樣弧聲信號的頻譜分析,可以知道電弧弧聲的中心頻率在7.5 k Hz左右.預警程序是在Lab V IEW平臺上完成的.將現場采集的聲音信號輸入到構造完整的檢測系統中,利用濾波提取出頻率在7.5 Hz左右的聲音信號,進行能量求解.將結果與初始設定的閾值比較,若大于這個閾值,則提取出的聲音信號是弧聲信號,發出警報;若小于閾值,則提取出的聲音信號中沒有弧聲信號,不發出警報[4].

當兩極之間電壓增大到45 kV時,兩極間開始放電,同時伴隨弧光信號和電流信號的產生.利用霍爾電流傳感器和光電探測器,將這兩路信號接入硬件電路中,經過放大和比較電路,實現報警功能.由于電流和弧光是同時發生,為了避免系統誤判和漏判,在兩路之間加一個邏輯與門,利用數據融合技術[5],當弧聲的兩種特征信息都存在時,將發出報警.

3 結論

在故障電弧保護監測系統中加入弧聲預警機制,可及時排除電路故障,為故障電弧報警和切除提供可靠的依據,避免不必要的斷電和滿足故障電弧快速報警.例如,目前的母線保護方案報警時間在300 m s左右,而弧聲預警在7 m s內可以發出報警信號,加上斷路器35～60 m s的跳閘時間,可以滿足在100 m s內切除故障電弧的要求.實驗表明系統是可行的,能滿足中低壓開關柜的故障電弧監測要求.

[1] LAND H B,EDD INSC L,GAUTH IER L R,et al.Design of a senso r to p redict arcing faults in nuclear sw itchgear [J].IEEE Trans on Nuclear Science,2003,50(4):1161-1165.

[2] 王冠宇.微弱信號檢測的理論研究及實踐[D].杭州:浙江大學,1998:14-29.

[3] ZHANG Ren-cheng,YANGJian-hong,DU Jian-hua.Study on in-p rocess detection and diagnosis of faults arc based on early sounds signature and intermittent chaos[J].Key Engineering Materials,2008,381/382:611-614.

[4] 蔡彬,陳德桂,吳銳,等.開關柜內部故障電弧的在線檢測和保護裝置[J].電工技術學報,2005,20(10):83-87.

[5] 仲啟樹,張認成,杜建華.數據融合技術在火災早期探測中的應用[J].華僑大學學報:自然科學版,2008,29(1):11-13.

Design of Arcing Early Warn ing and Protective System Using Arc Sound Signal

ZHANG Liang,ZHANG Ren-cheng, WU Shi-ping,CA IJie
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

An arcing early warning and p rotective system using arc sound signa is designed,based on zero zone’s largest rule of the change rateof sw itchboard voltage in arc fault.Acco rding to the fact that there exists arc sound more obviously befo re its burning,the arc sound was picked up from the complicated background noise using the corresponding sound senso rs.Then,the app rop riate amp litude threshold valueswere established by signal conditioning circuitsand the calculation of computer software system s to realize the early warning of fault arc.Experimental results have p roven the good effectsof the designed arcing early warning and p rotective system.

fault arc;sw itchboard;arc sound;early warning;voltage

TM 560.1+2;TM 711

A

(責任編輯:陳志賢 英文審校:鄭亞青)

1000-5013(2010)05-0496-03

2008-12-24

張認成(1961-),男,教授,主要從事現代檢測技術、信號實時獲得與特征提取的研究.E-mail:phzzrc@ hqu.edu.cn.

福建省科技計劃重點項目(2009H0031)